生物炭作为无土栽培基质的初步探究

陈慧玲，林向阳，罗登来，林圣楠，朱 丰，黄金城，刘明华，阮榕生

( 1.福州大学生物科学与工程学院，福建 福州 350116；2.南昌大学生物质转化教育部工程研究中心，江西 南昌 330047；3.明尼苏达大学生物系统与农业工程系，明尼阿波利斯 圣保罗 55108)

生物炭作为无土栽培基质的初步探究

陈慧玲1，林向阳1，罗登来1，林圣楠1，朱 丰1，黄金城1，刘明华1，阮榕生2,3

( 1.福州大学生物科学与工程学院，福建 福州 350116；2.南昌大学生物质转化教育部工程研究中心，江西 南昌 330047；3.明尼苏达大学生物系统与农业工程系，明尼阿波利斯 圣保罗 55108)

研究柠条深度裂解产生的生物炭作为无土栽培机制的可行性，以探讨柠条的综合开发和利用.试验分析了生物炭和草炭复配基质的理化特性，并对小白菜做育苗期盆栽试验.结果表明：当草炭和柠条炭的质量比为4∶2时达到最佳配比，此时混配基质各项指标均符合理想基质的要求；柠条炭具有强大的吸附能力和丰富的孔隙结构，其作为草炭的混配基质能够较大程度提高基质的透气性和速效钾含量，有贮存和缓释养分的作用.

生物炭；混配基质；无土栽培；理化特性; 柠条

0 引言

无土栽培因其具有可有效避免土壤连作障碍、土壤病虫害的传播及提高土壤利用率等优势而受到越来越多的关注和研究[1].基质栽培作为无土栽培的主要形式[2]，其品质的优劣直接影响着作物的生长，因此栽培基质的选择很重要[3].理想的栽培基质除了能固定作物外，还应具备较好的通气性、持水性和缓释功能等特性.目前常用的无土栽培基质主要有草炭、珍珠岩、蛭石、岩棉、沙等[4]，但单一基质很难满足作物生长的所有理化环境要求，因此国内外有较多关于基质混配特性的研究，且大部分研究表明,一定配比的混合基质更有利于作物的生长[5-7].

草炭是在过湿的嫌气条件下(如沼泽)，未完全分解的植物残体堆积而成的有机质复合物，是一种极优质的有机基质和肥料，但透气性差、不可再生性及昂贵的费用限制了其应用.大量研究表明，生物质热解固体焦炭不仅能提高土壤的有机质含量而且有助于提升土壤的持水性以及降低养分的流失率，因此是一种良好的土壤改良剂[8-9].柠条生物炭具有强大的吸附能力和丰富的孔隙结构，可研究其作为草炭的混配基质从而达到提高透气、贮存及缓释养分的效果，在保证优良理化特性的同时尽可能减少不可再生草炭的过度开发利用[10].此外，据目前文献可查，有关生物炭作为复配基质至今没有相关研究，探讨柠条生物炭作为复配基质的可行性具有一定的创新意义.

1 材料与设备

1.1 实验原料

赤叶小白菜种子；草炭(园艺用东北草炭)；柠条：来源于河北省保定市某山区.材料均切段后备用.

1.2 实验方法

1.2.1 柠条生物炭的制备

柠条生物炭：用自行设计的微波裂解反应设备及装置进行裂解，其中反应条件为温度500 ℃，时间6.3 min，功率1.9 kW，微波吸收剂添加量为4.0%(质量分数，以下均同).

1.2.2 小白菜育苗期盆栽试验

表1 基质混配方案Tab.1 Mediun mixed solution

按表1所示对不同基质按照质量比混配(以全草炭(CK)为对照组)进行市售小白菜种子的盆栽试验.

1.2.3 指标及测定方法

1)元素分析.生物质炭样品在60 ℃下烘干，过150 μm筛，称取100 mg，用Vario EL元素分析仪(德国Elementar公司)分别测定C、H、N、O的质量分数.

2)pH值、干密度和相对密度[11-12].基质与去离子水按体积比1∶5混合，用量筒量取10 mL，充分搅拌3 min，浸渍10 h后用pH计测定其pH值.干密度为固体颗粒的质量与物料的总体积之比值.相对密度测定参考《比重测定法(ZB 66041-1987)》[13].

3)比表面积测量.采用压汞法，用 PoreMasterGT 60 孔径测定仪测定.

4)容重和孔隙度.在105 ℃下，将基质烘至恒质量后装入体积(V)固定的烧杯中，单位体积干栽培基质的质量即容重.基质烘干后倒入烧杯中，烧杯质量为m，总质量为m1；向烧杯中加水至饱和并称质量(m2)；用湿纱布(m3)包裹烧杯口后倒置，静置6 h左右，直至容器中没有水分渗出为止，称质量(m4)，计算公式如下[14]：

5)吸水性和保水性.称取10 g自然风干基质装入孔径合适的尼龙网袋中，封口后浸入水槽中，12 h后取出，吊起沥干至无水滴后称质量.以每克基质吸收水分的质量代表吸水性，草炭对照组(CK)吸水量为“1”，其余各组吸水量以其倍数表示[15].称取自然风干基质15 g 于孔径合适的尼龙网袋中，在水槽中浸渍12 h后取出沥干1 h以排除重力水；准确称取各组饱和基质10 g，平铺于培养皿中，置于25 ℃恒温箱中，每1 h称重，记录各组试样的失水情况并绘制失水曲线[16].

6)作物指标测定.株高用游标卡尺测得垂直高度；维生素C含量测定采用《2，6-二氯靛酚滴定法(GB 6195-1986)》[17]；可溶性糖含量(FW)测定参照《铜还原碘量法(NY/T 1278-2007)》[18]测定.两指标均取真叶叶片测得，无真叶组未测[19].

7)数据处理.所有数值均为 3 次重复的平均值，采用方差分析(ANOVA)进行显著性差异比较.

2 结果与分析

2.1 炭元素组成及含量

表2 炭的基本性质Tab.2 Basic properities of carbon

土壤有机质是影响土壤可持续利用最重要的物质基础，影响土壤的物理、化学性质，并通过所提供的C、N源控制微生物活性，从而在土壤肥力中发挥作用.表2列出炭的基本性质，从表中可以看出，草炭有机质含量达到61.61%，远高于柠条生物炭12.21%，但是pH值为5.76，酸度太高.而柠条生物炭的pH值为8.87，呈碱性，可有效调节草炭酸度.其中，干密度表示基质的紧实程度，柠条生物炭相对于草炭具有较大密度，两者相互结合，有利于提高基质疏松程度.表2反映了柠条生物炭与草炭的区别.此外，通过单因素方差分析，表2中柠条生物炭和草炭各类性质两两比较均达到显著水平(P<0.05).

2.2 不同配比基质物理性质比较

表3列出了各混配基质组(纯草炭组为对照组)的主要物理性质，可分别根据这些指标值的大小来判断基质支撑能力、通气、吸水持水等影响作物生长发育的性能高低.

表3 不同配比基质的物理性质比较Tab.3 Comparison of physical properties for different ratio of medium

注：*代表处理间差异达到显著水平(P<0.05)

容重表示单位体积的基质质量，可反映基质的紧实程度.一般来说，容重范围在0.1～0.8 g·cm-3之间较适合作物生长，容重越大则越紧实，孔隙度相对较小.对照组的容重为0.35 g·cm-3，随着柠条炭比例的增加，基质容重不断减小，因此可判断柠条炭容重小于草炭容重，二者混配基质容重虽在适宜范围内，但属于低容重基质，孔隙可能较发达，但也存在作物易倒伏的不足.

总孔隙度是通气孔隙和持水孔隙的总和，孔隙度大的基质有利于根系的通气、保水，一般认为，当通气孔隙∶持水孔隙为1∶(2～4)时最有利于作物生长.吸水性表征基质吸收水分的能力，一定程度上反映了基质的孔隙结构和官能团性质.由表3可知，草炭的持水孔隙较多，但通气性较差，而柠条炭的加入不仅增大了草炭基质的总孔隙度，且较大程度地增加了基质的通气孔隙，其中II(4∶2)、III(3∶3)组大小孔隙比均在最佳范围内.随着柠条炭比例的增加，总孔隙增多，所以基质的吸水性能也比对照组有不同程度的略微提升，但这不能很好反映基质的持水性能，因此对一定时间基质的失水情况的(保水性)的试验研究有一定意义.

2.3 不同配比基质比表面积的比较

通过测得不同配比基质的吸附曲线和脱附曲线，再利用Brunauer-Emmett-Teller (BET)方程计算得到比表面积，结果如图1所示.

比表面积是指多孔固体物质单位质量所具有的表面积.从图1中可以看出，比表面积随着柠条炭添加量的增加而增大，与孔隙度呈正相关(见表3).其中柠条生物炭本身具有较大的比表面积102.89 m2·g-1(见表2)，当与草炭复配时可提高总体的比表面积.

2.4 不同配比基质保水性比较

图2是在6 h内不同时间点各组基质的失水情况比较图.从图中可以看出，对照组总失水量最少，保水性能较好，失水速率变化相对平缓，失水过程较平稳；随着柠条炭的增加，失水量越来越大，失水速率也越来越快 ，失水过程集中在前3～4 h.这是由于柠条炭增加了基质的总孔隙度和通气孔隙(大孔隙)而减少了持水孔隙的缘故.基质的保水性反映了基质耐旱性能及养分的有效性，保水性差的基质不利于作物生长过程中水分和养分的保持和供给，显然高柠条炭含量的基质失水太多，失水速率太快，并不利于作物成长，因此在保证根系的通气性时，应尽可能使混配基质中草炭含量高于柠条炭量.

图1 不同配比基质比表面积的比较Fig.1 Comparison of surface areas for different ratio of medium

图2 不同基质配比的保水性比较Fig.2 Comparision of water holding capacity for different ratio of medium

2.5 不同配比基质化学性质比较

pH值反映了基质的酸碱性，蔬菜最适宜的pH值范围应在6.0～7.5之间.有机质是作物生长的主要养分来源，氮、磷、钾含量则是影响作物生长发育的主要营养元素，而速效氮、磷、钾是作物可直接吸收转化的营养元素，它们都是影响作物生长的重要因素.

表4列出了不同配比基质的化学性质，从表中可知，对照组pH值为5.76，不利于蔬菜生长，碱性柠条炭的加入使基质pH值在6.02～8.51之间，其中I、II、III组均在蔬菜最适宜的pH值范围内.由表4可知，混配基质氮、磷、钾含量均远高于理想基质的要求(有效氮>50 mg·kg-1、速效磷>5 mg·kg-1、速效钾>40 mg·kg-1)，随着基质中柠条炭比例的增大，有机质和氮含量均大幅减少，当裂解炭量高于草炭量时，基质中有机质含量低于30%，不利于蔬菜对养分的吸收；钾的含量随裂解炭的加入升高较快，这主要是因为裂解炭中含有较多的无机钾.综上所述，I、II两组基质既能保证较适宜的pH环境，又能使有机质含量较高且氮、磷、钾含量均符合无土栽培基质要求，所以可列为较理想的基质配比.

表4 不同配比基质化学性质比较Tab.4 Comparison of chemical properties for different ratio of medium

注：*代表处理间差异达到显著水平(P<0.05)

2.6 小白菜育苗期盆栽试验结果

表5为不同配比基质组育苗期小白菜生长情况，由表5可知，各组出芽时间都较快，且出芽率都过半，因此各配比基质均能满足小白菜种子发芽的水分、温度等环境条件要求，其中II组的发芽率最高；不同组的小白菜长势差异较大，II组长势最好，柠条炭含量高于草炭时长势较差，这可能是由于柠条炭持水孔隙较少，保水性差，而过多的柠条炭会使失水速率过快而致使幼芽或幼苗所需水分和养分无法及时供给；维生素C含量最高的是II组，这与其长势情况相符合；对照组的可溶性糖含量均高于同期其他组，这可能与其高有机质含量相关.

表5 不同配比基质组育苗期小白菜生长情况比较Tab.5 Comparison of growth situation for different ratio medium group of pakchoi during seedling stage

3 结论

以纯草炭为对照组，将裂解柠条炭按不同比例与草炭复配，研究不同配比基质的理化性质和小白菜育苗期盆栽试验.实验表明：柠条炭的加入不仅增大了草炭基质的总孔隙度，且较大程度地增加了基质的通气孔隙，但是过多的柠条炭会导致基质失水太多，失水速率太快，不利于作物成长，因此在保证根系的通气性时，应尽可能使混配基质中草炭含量高于柠条炭量.当柠条炭∶草炭=2∶4时为最佳配比，此时混配基质物理化学各项指标：容重、孔隙度、持水性、保水性、氮、磷、钾等含量均符合理想基质的要求，有利于作物生长过程水分和养分的保持和供给.不足之处，由于实验空间、时间等条件限制，更深入的大田试验等应用推广仍有待完善.

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(责任编辑：洪江星)

Explore of bio carbon as matrix of soilless cultivation

CHEN Huiling1，LIN Xiangyang1，LUO Denglai1，LIN Shengnan1，ZHU Feng1，HUANG Jincheng1，LIU Minghua1，RUAN Roger2,3

(1.College of Biological Sciences and Engineering，Fuzhou University，Fuzhou,Fujian 350116，China；2.Biomass Transformation of the Ministry of Education Engineering Research Center，Nanchang University，Nanchang,Jiangxi 330047，China；3.Department of Bioproducts and Biosystems Engineering，University of Minnesota，St Paul，MN 55108，USA)

This experiment discussed the comprehensive development and utilization of the Caragana.In order to study the feasibility of bio carbon which was produced by the dissociation of Caragana as soilless cultivation,the experiment analysed the physicochemical properties of biochar and compound matrix,and also maked pot experiment for pakchoi in seedling stage.The result showed while Caragana carbon mixed peat carbon with 4 to 2,the indicators all reached the requirement of ideal matrix.Caragana carbon had strong absorption capability and abundant pore structure.Furthermore,Caragana carbon as the mixed matrix,which can greatly improve the permeability and available potassium content,had great effect on storaging and releasing nutrients slowly.

bio carbon; mixed with matrix; non soil cultivation; physical chemical properties; Caragana

10.7631/issn.1000-2243.2017.02.0280

1000-2243(2017)02-0280-05

2015-11-13

林向阳(1969-)，博士，教授，主要从事生物质能源、食物资源综合利用技术方面的研究，xylin@fzu.edu.cn

国家“863”计划资助项目(2012AA101809)；国家科技部国际合作项目(2009DFA61680)

S156.2

A